JP2018066664A - Spectroscopic analyzer - Google Patents
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Abstract
【課題】微小体積の試料に対する分光分析を高感度で行うことが可能な分析装置を提供する。【解決手段】光導波路1の第1分岐部11と第2分岐部12とは、プローブ光源4から光導波路1に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる。第1分岐部11及び第2分岐部12のうちの少なくとも一方は、流路2との交差部7において、流路2の内部を横断している。励起光源3は、交差部7に励起光を照射する。受光部5は、第1及び第2分岐部11及び12を通過後に混合されたプローブ光を受光してその光強度を測定する。【選択図】図1An analysis apparatus capable of performing spectroscopic analysis on a minute volume sample with high sensitivity is provided. A first branching portion and a second branching portion of an optical waveguide separate the probe light sent from the probe light source to the optical waveguide and mix them thereafter. At least one of the first branch part 11 and the second branch part 12 crosses the inside of the flow path 2 at the intersection 7 with the flow path 2. The excitation light source 3 irradiates the intersection 7 with excitation light. The light receiving unit 5 receives the probe light mixed after passing through the first and second branching units 11 and 12 and measures the light intensity thereof. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、分光分析装置に関するものである。 The present invention relates to a spectroscopic analyzer.
従来から、試料の吸光スペクトルを取得するための分析装置として、吸光光度計が知られている。吸光光度計は、下記のLambert-Beerの法則に基づいている。
A=εcl=log(I0/I)
ここで、
A:試料の吸光度
ε:モル吸光係数
c:試料の濃度
l:試料を通過する光の光路長
I:透過光強度
I0:入射光強度
である。
Conventionally, an absorptiometer is known as an analyzer for acquiring an absorption spectrum of a sample. The absorptiometer is based on the following Lambert-Beer law.
A = εcl = log (I 0 / I)
here,
A: absorbance of sample ε: molar extinction coefficient c: concentration of sample l: optical path length I of light passing through sample I: transmitted light intensity I 0 : incident light intensity.
これによれば、試料の吸光度は、入射光強度と透過光強度との比により求められるが、光路長が短くなるほど、感度が劣化することがわかる。 According to this, the absorbance of the sample is obtained from the ratio of the incident light intensity and the transmitted light intensity, but it can be seen that the sensitivity deteriorates as the optical path length becomes shorter.
一方、近年では、微小試料の分析のために、マイクロ空間を用いたマイクロ化学チップが利用されている。このようなマイクロ空間では、光路長が非常に短いため、従来の吸光光度計を用いると、測定感度が大幅に劣化してしまう。例えば、従来の吸光光度計における光路長が10mmとし、マイクロ化学チップにおける試料の流路幅(すなわち光路長)が0.1mmとすると、マイクロ化学チップにおける測定感度は100分の1になってしまう。これでは実用的な分析を行うことが困難である。 On the other hand, in recent years, a micro chemical chip using a micro space has been used for analyzing a micro sample. In such a micro space, since the optical path length is very short, when a conventional absorptiometer is used, the measurement sensitivity is greatly deteriorated. For example, if the optical path length in the conventional absorptiometer is 10 mm and the flow path width of the sample in the microchemical chip (that is, the optical path length) is 0.1 mm, the measurement sensitivity in the microchemical chip will be 1/100. . This makes it difficult to perform practical analysis.
一方本発明者らは、マイクロチャネルを流れる微小流体(すなわち試料)に光を照射し、光照射による試料の発熱量をプローブ光の位相変化として検出する技術を提案した(下記特許文献1参照)。しかしながら、この技術では、試料への光照射によって発生する熱が基板に拡散してしまうため、測定感度の点において、改善の余地があった。 On the other hand, the present inventors have proposed a technique for irradiating a microfluid (that is, a sample) flowing through a microchannel with light and detecting the amount of heat generated by the sample as a phase change of the probe light (see Patent Document 1 below). . However, this technique has room for improvement in terms of measurement sensitivity because heat generated by light irradiation on the sample diffuses to the substrate.
また、分光スペクトルを取得するためには、多波長を含む白色光源を用いる必要がある。しかしながら、白色光源のパワーはレーザに比べてかなり低い。したがって、下記特許文献1の技術を用いて分光スペクトルを取得する場合は、十分な測定感度を得るための何らかの対応が求められる可能性があった。 Moreover, in order to acquire a spectrum, it is necessary to use a white light source including multiple wavelengths. However, the power of the white light source is considerably lower than that of the laser. Therefore, when acquiring a spectral spectrum using the technique of the following patent document 1, some measures for obtaining sufficient measurement sensitivity may be required.
本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、微小体積の試料に対する分光分析を高感度で行うことが可能な分析装置を提供することである。 The present invention has been made based on the above situation. A main object of the present invention is to provide an analysis apparatus capable of performing spectroscopic analysis on a minute volume sample with high sensitivity.
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。 Means for solving the above-described problems can be described as follows.
(項目1)
光導波路と、流路と、励起光源と、プローブ光源と、受光部を備えており、
前記光導波路は、第1分岐部と第2分岐部とを備えており、
前記第1分岐部と第2分岐部とは、前記プローブ光源から前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第1分岐部及び前記第2分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断しており、
前記励起光源は、前記交差部に励起光を照射する構成となっており、
前記受光部は、前記第1及び第2分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている
分光分析装置。
(Item 1)
An optical waveguide, a flow path, an excitation light source, a probe light source, and a light receiving unit;
The optical waveguide includes a first branch portion and a second branch portion,
The first branch portion and the second branch portion are configured to separate the probe light sent from the probe light source into the optical waveguide and to mix the light thereafter.
At least one of the first branch part and the second branch part crosses the inside of the flow path at the intersection with the flow path,
The excitation light source is configured to irradiate the intersection with excitation light,
The light receiving section is configured to receive the probe light mixed after passing through the first and second branch sections and measure the light intensity thereof.
(項目2)
さらに基板を備えており、
前記光導波路と前記流路とは、前記基板の内部又は上面に形成されている
項目1に記載の分光分析装置。
(Item 2)
It also has a substrate,
The spectroscopic analyzer according to item 1, wherein the optical waveguide and the flow path are formed inside or on an upper surface of the substrate.
(項目3)
前記交差部に照射される前記励起光の幅は、前記流路の幅とほぼ等しいものとされている
項目1又は2に記載の分光分析装置。
(Item 3)
The spectroscopic analyzer according to
(項目4)
光導波路と、流路とを備えており、
前記光導波路は、第1分岐部と第2分岐部とを備えており、
前記第1分岐部と第2分岐部とは、前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第1分岐部及び前記第2分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断している
分光デバイス。
(Item 4)
An optical waveguide and a flow path;
The optical waveguide includes a first branch portion and a second branch portion,
The first branch part and the second branch part are configured to separate the probe light sent into the optical waveguide and to mix the probe light thereafter,
At least one of the first branch part and the second branch part crosses the inside of the flow path at the intersection with the flow path.
(項目5)
項目4に記載の分光デバイスを用いた分光分析方法であって、
前記流路に試料を流すステップと、
前記第1分岐部と第2分岐部とに、プローブ光を送り込むステップと、
前記交差部に励起光を照射するステップと、
前記第1及び第2分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定するステップと
を備える分光分析方法。
(Item 5)
A spectroscopic analysis method using the spectroscopic device according to item 4,
Flowing a sample through the flow path;
Sending probe light to the first branch portion and the second branch portion;
Irradiating the intersection with excitation light;
Receiving the probe light mixed after passing through the first and second branch parts and measuring the light intensity thereof.
本発明によれば、微小体積の試料(例えばマイクロチャネルを流れる試料)に対する分光分析を高感度で行うことが可能となる。 According to the present invention, it is possible to perform spectroscopic analysis on a sample with a small volume (for example, a sample flowing through a microchannel) with high sensitivity.
以下、本発明の一実施形態に係る分光分析装置を、添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a spectroscopic analyzer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(本実施形態の構成)
本実施形態に係る分光分析装置(以下単に「分析装置」又は「装置」と略称することがある)は、光導波路1と、流路2と、励起光源3と、プローブ光源4と、受光部5とを主要な構成として備えている(図1参照)。さらに、この実施形態の装置は、基板6を備えている(図1参照)。
(Configuration of this embodiment)
A spectroscopic analysis apparatus according to the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as “analysis apparatus” or “apparatus”) includes an optical waveguide 1, a
(光導波路)
光導波路1は、第1分岐部11と第2分岐部12とを備えている。第1分岐部11と第2分岐部12とは、プローブ光源4から光導波路1に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっている。つまり、この光導波路1は、いわゆるマッハ・ツェンダー型導波路を構成している。
(Optical waveguide)
The optical waveguide 1 includes a
第1分岐部11は、流路2との交差部7において、流路2の内部を横断している(図2及び図3参照)。同様に、本実施形態の第2分岐部12は、第1分岐部11とは離れた位置において、流路2の内部を横断している。光導波路1は、基板6の内部において、基板6よりも高い屈折率の材料(具体的には例えば高屈折率とされたガラス)により構成されている。ただし、本実施形態における第1分岐部11及び第2分岐部12は、流路2と交差する部分においては流路2自体(あるいはそこを通過する試料自体)により構成されるようになっている。つまり、光導波路1を構成する材料(ガラス)は、流路2を挟んで対向するように分離されている。
The
本実施形態では、第1分岐部11は、流路2の流れ方向において、第2分岐部12の下流側に配置されている。つまり、本実施形態における試料の流れ方向は、図3において右から左の方向となっている。
In the present embodiment, the
(流路)
本実施形態の流路2は、試料を流すためのものである。本実施形態の流路2の幅は、例えば100μmとされている。ただし、流路2の幅としては、これに限るものではなく、例えば、1μm〜1mm程度とすることができる。流路2の深さも特に制約されないが、例えば1μm〜1mm程度とすることができる。
(Flow path)
The
(励起光源)
励起光源3は、交差部7に励起光31(図1参照)を照射する構成となっている。励起光源3としては、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、LEDなど、各種の白色光源を用いることができる。ただし、複数波長についての分析が不要であれば、励起光源3として単色の光源を用いることも可能である。なお、ここで白色とは、分光スペクトルの取得に必要な複数の波長を含むことを意味する。
(Excitation light source)
The excitation light source 3 is configured to irradiate the
交差部7に照射される励起光の幅(いわゆるスポット径)は、流路2の幅とほぼ等しいものとされている(図3及び図4参照)。具体的には、図4に示すスポット径dは、本例では、約107μmとされている。
The width (the so-called spot diameter) of the excitation light applied to the intersecting
(プローブ光源)
プローブ光源4は、プローブ光を光導波路1に入力するためのものである。プローブ光源としては、例えばHe−Neレーザと、レーザ光を光導波路1の端部に伝送するための光ファイバとにより構成することができる。プローブ光源4としては、後述するプローブ光の位相変化を検出できる程度に位相の揃った波を発生できるものであることが望ましい。
(Probe light source)
The probe light source 4 is for inputting probe light to the optical waveguide 1. As the probe light source, for example, a He—Ne laser and an optical fiber for transmitting laser light to the end of the optical waveguide 1 can be used. It is desirable that the probe light source 4 be capable of generating a wave whose phase is uniform enough to detect a phase change of the probe light described later.
(受光部)
受光部5は、第1及び第2分岐部11及び12を通過後に混合されたプローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている。本実施形態における受光部5の動作については、本実施形態の動作方法として後述する。
(Light receiving section)
The light receiving unit 5 is configured to receive the probe light mixed after passing through the first and second branching
(基板)
本実施形態の光導波路1と流路2とは、基板6の内部に形成されたものとなっている。基板6は、本実施形態においては、下基板61と、その上面に積層された上基板62とから構成されている。本実施形態では、上基板61及び下基板62は、いずれも、励起光に対して透明なガラスにより構成されている。また、本実施形態では、下基板61及び上基板62は、光導波路1よりも屈折率の低いガラスにより構成されている。
(substrate)
The optical waveguide 1 and the
なお、前記した本実施形態の構成により、光導波路1と流路2とを備えた分光デバイスが構成されたものとなっている。
In addition, the spectroscopic device provided with the optical waveguide 1 and the
(本実施形態の動作方法)
ついで、本実施形態に係る分光分析装置の動作について説明する。
(Operation method of this embodiment)
Next, the operation of the spectroscopic analyzer according to this embodiment will be described.
(試料の移送)
まず、流路2の端部(図1の例では、下端部側)から、流路2の内部に向けて、分析対象となる試料を送り込む。送り込まれた試料は、流路2を一方向に流れる。流路2内において試料を移動させる手段としては、例えばポンプを用いることができる。試料の移送については、従来と同様の手法を用いることができるので、これについてのこれ以上詳しい説明は省略する。
(Sample transfer)
First, a sample to be analyzed is fed from the end of the flow channel 2 (the lower end side in the example of FIG. 1) toward the inside of the
(プローブ光入力)
一方、プローブ光源4から、プローブ光を光導波路1に送り込む。プローブ光は、第1分岐部11と第2分岐部12とに分岐して進行した後、再び合流して、受光部5に受光される。ここで、本実施形態では、第1分岐部11及び第2分岐部12を構成するガラスが、いずれも、流路2と交差する部分において存在しないものとされている。しかしながら、流路2の幅は狭いので、流路2を通過する光は、実用上十分な強度を保ちつつ、受光部5に向けて伝送される。
(Probe light input)
On the other hand, probe light is sent from the probe light source 4 into the optical waveguide 1. The probe light branches and proceeds to the first branching
(励起光照射)
また、励起光源3から、第1分岐部11と流路2との交差部7に向けて、励起光を照射する。すると、試料は、その吸光特性に応じて発熱し、その発熱量に応じて、第1分岐部11を通過するプローブ光の位相が変化する。
(Excitation light irradiation)
In addition, excitation light is emitted from the excitation light source 3 toward the
第1分岐部11を通過するプローブ光と第2分岐部12を通過するプローブ光との干渉光の強度は、第1分岐部11を通過した光の位相変化量に応じて変化することになる。
The intensity of the interference light between the probe light passing through the first branching
(位相変化の検出)
その後、受光部5が、干渉光の強度を検出する。受光部5では、検出された干渉光の強度値(あるいはそれに対応する位相変化量ないし発熱量)に基づいて試料の吸光特性を検出することができる。
(Detection of phase change)
Thereafter, the light receiving unit 5 detects the intensity of the interference light. The light receiving unit 5 can detect the light absorption characteristics of the sample based on the detected intensity value of the interference light (or the corresponding phase change amount or heat generation amount).
ここで本実施形態の装置によれば、励起光源3から交差部7に照射させる光の波長を、例えばフィルタやモノクロメーターやプリズムなどの機器を用いて変化させることにより、波長ごとの試料特性(すなわち分光スペクトル)を取得することができる。
Here, according to the apparatus of the present embodiment, the wavelength of the light irradiated from the excitation light source 3 to the
また、本実施形態の装置では、第1分岐部11が、流路2の内部を通過しているので、励起光の照射による試料の発熱を、効率よく、プローブ光の波長変化として取り出すことができるという利点がある。もし、第1分岐部11が流路2の外側に配置されている場合には、流路2での発熱が3次元方向に拡散するために、その一部のみがプローブ光の波長変化に影響を与えることになる。つまり、このような技術では、試料の測定感度が低くなる傾向にある。これに対して、本実施形態の装置では、試料の発熱が3次元方向に拡散しても、その発熱する試料の中をプローブ光が通過することになるため、試料の測定感度を向上させることができる。すると、本実施形態では、白色光源のように低パワーの励起光源を用いた場合でも、高い測定感度を得ることができるために、高精度な分光スペクトルを簡便に取得できるという利点もある。
Moreover, in the apparatus of this embodiment, since the
また、本実施形態では、励起光源3から交差部7への励起光の幅(いわゆるスポット径)を、流路2の幅とほぼ等しいものとした(図3及び図4参照)。仮に、励起光の幅が、流路2の幅よりも広い場合、励起光が、流路2の外側における光導波路1を加熱することになる。一般にガラスは、加熱により屈折率が上がり、試料は加熱により屈折率が下がる。このため、流路2と試料との両方を加熱すると、両者の屈折率の変化が相殺してしまい、測定精度が下がる恐れがある。これに対して、本実施形態の装置によれば、このような相殺の影響を低く抑えることができ、測定精度の向上を期待することができる。
In the present embodiment, the width of the excitation light from the excitation light source 3 to the intersecting portion 7 (so-called spot diameter) is made substantially equal to the width of the flow path 2 (see FIGS. 3 and 4). If the width of the excitation light is wider than the width of the
さらに、前記した実施形態では、第1分岐部11を、第2分岐部12に対して、流路2の下流側に配置したので、試料の温度変化による影響を、第2分岐部12を通過する光に対しては低く抑えることができ、その点からも測定精度の向上を期待することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, since the
(製造方法)
ついで、図5〜図7をさらに参照しながら、本発明に係る分光分析装置に用いられる分光デバイスの製造方法の一例を説明する。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing a spectroscopic device used in the spectroscopic analysis apparatus according to the present invention will be described with further reference to FIGS.
まず、下基板61の上面の一部を、例えばフッ酸を用いたウエットエッチングを用いて除去することにより、流路2を形成する(図5参照)。
First, the
ついで、下基板61の上面に、例えばフェムト秒パルスレーザ8を照射することにより、光導波路1を形成することができる。これは、レーザ照射によってガラス内部に局所的に屈折率が高い部分を形成できるためである(図6)。
Subsequently, the optical waveguide 1 can be formed by irradiating the upper surface of the
ついで、下基板61の上面に上基板62を貼り合わせて接合する。この接合の手法としては、例えば低温接合法を用いることができる(図7)。
Next, the
(実施例)
つぎに、前記した実施形態の装置の特性を検証した。その結果を実施例として図8及び図9に示す。なお、この実施例においては、試料としてサンセットイエロー(非蛍光色素)の水溶液を用いた。流路幅は100μmとした。
(Example)
Next, the characteristics of the apparatus of the above-described embodiment were verified. The results are shown in FIGS. 8 and 9 as examples. In this example, an aqueous solution of sunset yellow (non-fluorescent dye) was used as a sample. The channel width was 100 μm.
図8は、励起光とプローブ光とをそれぞれオン/オフさせたときの、光熱変換信号(すなわち受光部5で測定された受光強度)を示すものである。これによれば、励起光のオン/オフにより、プローブ光の受光強度が変化していることがわかる。 FIG. 8 shows the photothermal conversion signal (that is, the received light intensity measured by the light receiving unit 5) when the excitation light and the probe light are turned on / off, respectively. According to this, it can be seen that the received light intensity of the probe light changes due to the on / off of the excitation light.
図9は、試料濃度と光熱変換信号との関係を示す。これによれば、光熱変換信号の測定値を用いて、試料濃度を定量的に測定可能なことがわかる。 FIG. 9 shows the relationship between the sample concentration and the photothermal conversion signal. According to this, it can be seen that the sample concentration can be measured quantitatively using the measured value of the photothermal conversion signal.
なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。 The contents of the present invention are not limited to the above embodiment. In the present invention, various modifications can be made to the specific configuration within the scope of the claims.
例えば、前記した実施形態の装置においては、第2分岐部12を流路2と交差する構成としたが、第2分岐部12は流路2と交差せず、流路2の上または下を通過する構成とすることもできる。
For example, in the apparatus of the above-described embodiment, the
さらに、前記した実施形態では、第1分岐部11を、第2分岐部12に対して、流路2の下流側に配置したが、それに代えて、流路2の上流側に配置することも可能である。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
また、前記した実施形態における、第1分岐部11と第2分岐部12とは、相対的に両者を区別するための用語に過ぎず、それ以上の制約を意味するものではない。要するに、第1分岐部11と第2分岐部12とは、マッハ・ツェンダー型導波路を構成できるものであればよい。
Moreover, the
1 光導波路
11 第1分岐部
12 第2分岐部
2 流路
3 励起光源
4 プローブ光源
5 受光部
6 基板
61 下基板
62 上基板
7 交差部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記光導波路は、第1分岐部と第2分岐部とを備えており、
前記第1分岐部と第2分岐部とは、前記プローブ光源から前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第1分岐部及び前記第2分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断しており、
前記励起光源は、前記交差部に励起光を照射する構成となっており、
前記受光部は、前記第1及び第2分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定する構成となっている
分光分析装置。 An optical waveguide, a flow path, an excitation light source, a probe light source, and a light receiving unit;
The optical waveguide includes a first branch portion and a second branch portion,
The first branch portion and the second branch portion are configured to separate the probe light sent from the probe light source into the optical waveguide and to mix the light thereafter.
At least one of the first branch part and the second branch part crosses the inside of the flow path at the intersection with the flow path,
The excitation light source is configured to irradiate the intersection with excitation light,
The light receiving section is configured to receive the probe light mixed after passing through the first and second branch sections and measure the light intensity thereof.
前記光導波路と前記流路とは、前記基板の内部又は上面に形成されている
請求項1に記載の分光分析装置。 It also has a substrate,
The spectroscopic analyzer according to claim 1, wherein the optical waveguide and the flow path are formed inside or on an upper surface of the substrate.
請求項1又は2に記載の分光分析装置。 The spectroscopic analyzer according to claim 1 or 2, wherein a width of the excitation light irradiated to the intersection is substantially equal to a width of the flow path.
前記光導波路は、第1分岐部と第2分岐部とを備えており、
前記第1分岐部と第2分岐部とは、前記光導波路に送り込まれたプローブ光を分離させ、かつ、その後に混合させる構成となっており、
前記第1分岐部及び前記第2分岐部のうちの少なくとも一方は、前記流路との交差部において、前記流路の内部を横断している
分光デバイス。 An optical waveguide and a flow path;
The optical waveguide includes a first branch portion and a second branch portion,
The first branch part and the second branch part are configured to separate the probe light sent into the optical waveguide and to mix the probe light thereafter,
At least one of the first branch part and the second branch part crosses the inside of the flow path at the intersection with the flow path.
前記流路に試料を流すステップと、
前記第1分岐部と第2分岐部とに、プローブ光を送り込むステップと、
前記交差部に励起光を照射するステップと、
前記第1及び第2分岐部を通過後に混合された前記プローブ光を受光してその光強度を測定するステップと
を備える分光分析方法。 A spectroscopic analysis method using the spectroscopic device according to claim 4,
Flowing a sample through the flow path;
Sending probe light to the first branch portion and the second branch portion;
Irradiating the intersection with excitation light;
Receiving the probe light mixed after passing through the first and second branch parts and measuring the light intensity thereof.
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